ES3062703T3 - Propulsion system for a vehicle using heat energy absorbed in an active cooling system - Google Patents

Abstract

Un vehículo para vuelo supersónico o hipersónico consta de un motor de cohete térmico (lb) con una tobera (2) y un sistema de refrigeración activa (8). El sistema de refrigeración activa enfría un escudo térmico (6, 7). Un fluido de trabajo absorbe el calor dentro del sistema de refrigeración activa y, al calentarse, se expande a través de la tobera para generar empuje. Este tipo de vehículo es adecuado para realizar trayectorias con múltiples saltos, trayectorias de planeo con impulso, trayectorias con fase de crucero o reentrada atmosférica, por ejemplo. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

[0001] DESCRIPCIÓN

[0003] Sistema de propulsión para un vehículo que usa energía térmica absorbida en un sistema de refrigeración activo

[0004] Campo técnico

[0006] La invención se refiere a un vehículo para vuelos supersónicos o hipersónicos. El vehículo comprende al menos un motor de cohete térmico y un sistema de refrigeración activo. El gas calentado en el sistema de refrigeración activo se alimenta a través de una tobera de cohete convencional como una masa de reacción para producir empuje.

[0008] La invención se refiere también a un método para operar un vehículo durante un vuelo supersónico o hipersónico.

[0009] Antecedentes de la técnica

[0011] Se han desarrollado varios métodos de propulsión para naves espaciales, cada uno de los cuales tiene sus propias desventajas y ventajas. Una gran parte de los motores de cohete en uso actualmente son cohetes químicos. Estos obtienen la energía necesaria para generar empuje mediante reacciones químicas para crear un gas caliente que se expande a través de una tobera para producir empuje. Una limitación significativa de la propulsión química es que presenta limitaciones con el impulso específico, que es la relación entre el empuje producido y la masa de propelente necesaria a un caudal determinado. La temperatura y la presión máximas en la cámara de combustión, así como la masa molecular de los gases de escape, limitan el impulso específico. Los mejores motores de cohete criogénicos que usan hidrógeno y oxígeno combinados pueden conseguir un impulso específico de 450 s en vacío.

[0013] La propulsión conocida es la propulsión térmica de cohetes. En esta propulsión, la masa de reacción, normalmente un gas con una masa molecular baja, se calienta con una fuente de energía externa, a continuación, se alimenta a través de una tobera de cohete convencional para producir empuje. Por ejemplo, un propulsor de arco eléctrico calienta la masa de reacción mediante un arco eléctrico usando energía procedente de paneles solares. En la propulsión termosolar, el propelente se calienta mediante la luz solar concentrada por un colector. La propulsión nuclear usa la reacción nuclear para calentar un gas, tal como hidrógeno. La propulsión térmica de cohetes podría tener un impulso específico mucho mayor, no solo porque para algunos tipos de propulsión térmica puede conseguir una temperatura de masa de reacción más alta que la de los motores químicos, sino principalmente porque puede usar un gas de masa de reacción, tal como hidrógeno, con una masa molecular extremadamente baja. La masa molecular más baja de los gases de escape conduce a un mayor impulso específico. El hidrógeno tiene una masa molar de 2 gramos, mientras que el agua (gas de escape de los motores de hidrógeno y oxígeno) tiene una masa molar de 18 gramos. El impulso específico puede alcanzar 1.000 segundos o más para algunos tipos de propulsión térmica, y es mucho mayor que para la propulsión química. Sin embargo, a diferencia de la propulsión química, el empuje del motor de cohete térmico está siempre limitado por la fuente de energía térmica, normalmente la solar. Esta es una razón por la que la propulsión térmica que usa energía solar se usa solo para cambios de órbita lentos para satélites.

[0015] Un vehículo que entra desde el espacio exterior al interior, y a través, de los gases de una atmósfera, o un vehículo que vuela en la atmósfera a velocidad hipersónica, experimenta resistencia atmosférica, lo que genera tensión mecánica en el vehículo y calentamiento aerodinámico. Dichos vehículos destinados a la entrada atmosférica o al vuelo hipersónico requieren un sistema de protección térmica que proteja la estructura del vehículo contra daños causados por las altas temperaturas, que pueden alcanzar miles de grados Kelvin. Se usan múltiples enfoques para la protección térmica de los vehículos, entre los que se encuentran los escudos térmicos ablativos, la refrigeración pasiva y la refrigeración activa de las superficies de los vehículos.

[0017] Un sistema de refrigeración activo normalmente comprende un escudo térmico realizado en aleaciones metálicas resistentes a la temperatura que incorpora un fluido de trabajo que circula a través del mismo. Dicho sistema de refrigeración activo supone una penalización de masa para el sistema debido a la masa del refrigerante.

[0019] El documento US 5687932 muestra una aeronave con un sistema para eliminar el calor desde una estructura con alta carga térmica, basado en una reacción endotérmica.

[0021] El documento US 2004/139723 muestra un sistema de propulsión que usa microondas procedentes de una fuente terrestre o a bordo para proporcionar energía para la propulsión.

[0023] El documento US 2008/217481 muestra un avión aeroespacial reversible que incluye una entrada de aire, un intercambiador de calor y un motor.

[0025] El documento US 3 140 064 muestra un vehículo espacial con toberas para el control de orientación. El calor se absorbe durante la reentrada en el extremo de reentrada. El líquido se convierte en vapor a alta presión y se introduce a una turbina y se descarga a través de las toberas de control de orientación.

[0027] Divulgación de la invención

[0028] El problema a resolver mediante la presente invención es proporcionar un vehículo con un rendimiento mejorado.

[0029] Este problema se resuelve mediante el objeto de la reivindicación 1 independiente de un dispositivo.

[0031] Según esto, un vehículo para un vuelo supersónico o hipersónico comprende al menos un motor de cohete térmico. El vehículo comprende también un sistema de refrigeración activo que tiene canales para refrigerar un escudo térmico. El sistema de refrigeración activo y el motor de cohete térmico están adaptados de manera que el fluido de trabajo fluya a través del sistema de refrigeración activo, absorba calor y se alimente a través de una tobera de cohete convencional como una masa de reacción, donde se expande para generar empuje.

[0033] El motor de cohete térmico puede usarse para la propulsión principal del vehículo. La "propulsión principal" es creada por el motor de cohete principal para alcanzar una alta velocidad del cohete o mantener la velocidad existente, y no está relacionada con ningún sistema de control de reacción, mantenimiento de órbita, maniobras ni control de orientación.

[0035] En particular, el fluido de trabajo puede absorber calor mientras fluye a través de los canales de refrigeración del sistema de refrigeración activo. Este es un sistema de refrigeración de bucle abierto. De manera alternativa, un refrigerante separado fluye a través de los canales de refrigeración y un intercambiador de calor transfiere el calor desde el refrigerante al fluido de trabajo. El refrigerante forma parte de un sistema de refrigeración de bucle cerrado.

[0036] En particular, el escudo térmico puede estar compuesto por varios segmentos con diferentes temperaturas máximas, y el fluido de trabajo puede absorber calor desde estos elementos, aumentando su temperatura al fluir desde la parte más fría a la parte más caliente. Por ejemplo, el fluido de trabajo puede usarse inicialmente para refrigerar piezas estructurales, tales como el cuerpo del vehículo, construido con materiales menos resistentes al calor, tales como aleaciones de aluminio, y posteriormente para refrigerar las partes más calientes del vehículo, tales como los bordes de ataque o el morro, fabricados con materiales más resistentes al calor, tal como acero.

[0038] En este modo, el sistema de refrigeración activo es una fuente térmica para el fluido de trabajo (gas o líquido). El fluido de trabajo se usará como una masa de reacción en el motor de cohete térmico.

[0040] En una realización preferida, el sistema de refrigeración activo es la principal, y en particular la única, fuente térmica para el fluido de trabajo del motor de cohete térmico. En otras palabras, el fluido de trabajo se calienta principalmente por la absorción de calor en el interior del sistema de refrigeración activo. El fluido de trabajo no experimenta una reacción química, sino que es calentado principalmente por una fuente de energía externa.

[0042] En particular, al menos el 50%, en particular al menos el 80%, en particular al menos el 90% de la energía térmica del fluido de trabajo que se expande a través de la tobera proviene de la absorción de calor en el sistema de refrigeración activo.

[0044] En comparación con un motor de cohete químico, la energía desde el flujo térmico en el interior del sistema de refrigeración activo reemplaza la energía química de la reacción química en un motor de cohete químico. En comparación con una propulsión de cohete térmico convencional, la cantidad de energía térmica disipada en el escudo térmico y absorbida por el sistema de refrigeración activo podría ser muy significativa, y el empuje generado por el motor térmico podría ser comparable al de los motores de cohete químicos.

[0046] De manera ventajosa, dicho motor de cohete térmico se denomina "propulsión de cohete térmico con gas caliente".

[0047] El calentamiento de la masa de reacción mediante el sistema de refrigeración activo tiene las siguientes ventajas:

[0048] - En comparación con un motor de cohete químico, una menor masa molecular del gas de escape aumenta significativamente el impulso específico. Si se usa hidrógeno gaseoso como fluido de trabajo, un impulso específico en el vacío del motor de cohete térmico con hidrógeno calentado hasta 1.000°C como masa de reacción será de aproximadamente 600 s, que es significativamente mayor que el de los mejores cohetes químicos. Si se dispone de una fracción de masa del 30% de fluido de trabajo en la masa inicial del vehículo, el delta-V, del impulso generado por unidad de masa del vehículo, podría ser superior a 2.100 m/s; para una fracción del 20%, el delta-V podría ser superior a 1.300 m/s.

[0050] - Permite recuperar una gran parte de la energía térmica disipada durante un vuelo supersónico/hipersónico, transformando la misma en energía cinética y elimina eficazmente la penalización de masa que supone el uso de refrigerante para un sistema de refrigeración activo.

[0052] - Un sistema de refrigeración activo es reutilizable, ya que no necesita ser reinstalado después de uno o varios vuelos, como los escudos térmicos de ablación o de absorción. Esto reduce los desafíos técnicos y mejora la eficiencia económica.

[0053] Un motor de cohete térmico que no alberga ninguna combustión y que usa únicamente gases calentados a una temperatura de 1.000°C es fácil de construir. En cambio, un motor de cohete químico permite calentar los gases de los productos de reacción a temperaturas muy elevadas (de 2.500°C a 4.100°C).

[0055] El vehículo puede usarse en diferentes escenarios. En un primer escenario ejemplar, el vehículo vuela siguiendo una trayectoria de múltiples saltos. Esta trayectoria comprende una serie de saltos. El alcance del vehículo se amplía empleando la sustentación aerodinámica en la atmósfera.

[0057] En un segundo escenario ejemplar, el vehículo vuela siguiendo una trayectoria de planeo con impulso. Esta trayectoria comprende un solo salto.

[0059] De manera alternativa, en un tercer escenario ejemplar, la trayectoria consta de una fase de crucero. Esta fase de crucero ocurre cuando la aeronave se nivela a una altitud establecida. El vehículo vuela durante la fase de crucero a una altitud constante.

[0061] En un cuarto escenario ejemplar, el vehículo entra desde el espacio a la atmósfera, o desde la parte superior de la atmósfera (por ejemplo, mesosfera o estratosfera) a la atmósfera inferior (por ejemplo, troposfera). Esta fase del vuelo se denomina entrada o reentrada atmosférica. El vehículo se desacelera en el interior de la atmósfera.

[0063] En todos los escenarios indicados, el vehículo puede variar la velocidad, es decir, acelerar, desacelerar, o mantener la velocidad constante. La velocidad es supersónica o hipersónica. El vehículo experimenta resistencia atmosférica, lo que genera tensión mecánica en el vehículo y calentamiento aerodinámico.

[0065] De manera ventajosa, el escudo térmico está adaptado para proteger el vehículo durante un vuelo supersónico o hipersónico, en particular para proteger el cuerpo del vehículo, los bordes de ataque, en particular el morro y la parte delantera de las alas del vehículo. En particular, el escudo térmico puede estar realizado en metal, en particular en una superaleación austenítica a base de níquel-cromo.

[0067] De manera ventajosa, el motor de cohete térmico puede usarse también para desacelerar el vehículo durante la reentrada. Esto requiere una tobera orientada hacia el flujo.

[0069] En una realización adicional, el sistema de control de reacción puede ser operado por múltiples propulsores que trabajan en un modo de propulsión de cohete térmico.

[0071] De manera ventajosa, el sistema de refrigeración activo está adaptado para calentar el fluido de trabajo un ΔT de al menos 500 Kelvin, en particular al menos 800 Kelvin, en particular al menos 1.000 Kelvin, en particular al menos 1.200 Kelvin. Dicho ΔT aumenta significativamente el impulso específico del motor de cohete térmico. Si la temperatura solo se incrementa a aproximadamente 1.200 K, el motor de cohete térmico puede fabricarse en acero estándar. Si se usa hidrógeno como fluido de trabajo, podría almacenarse como hidrógeno líquido en un tanque de propelente en estado criogénico a una temperatura de aproximadamente 20 K.

[0073] En una realización opcional, el vehículo puede comprender un acumulador de energía térmica, tal como un tanque, para almacenar el fluido de trabajo calentado. El acumulador de energía térmica puede comprender también una masa inerte, tal como metal, o un material de cambio de fase. Un material de cambio de fase es una sustancia que absorbe y libera suficiente energía durante la transición de fase.

[0075] Dicho acumulador de energía térmica aumenta la masa total del vehículo, pero proporciona la oportunidad de usar motores de cohete térmicos, por ejemplo, para el sistema de control de reacción cuando el sistema de refrigeración activo no está funcionando, por ejemplo, cuando el vehículo abandona la atmósfera. La energía térmica se almacena y se disipa posteriormente.

[0077] En particular, el vehículo puede comprender un intercambiador de calor para vaporizar el fluido de trabajo líquido frío almacenado antes de introducir el fluido de trabajo en estado gaseoso al sistema de refrigeración activo. Dicho diseño evita un flujo bifásico del fluido de trabajo en el interior de los canales de refrigeración. Esto simplifica el diseño del sistema de refrigeración activo.

[0079] Además, el vehículo podría comprender un motor de cohete químico, además del motor de cohete térmico. El motor de cohete químico podría usarse durante la propulsión inicial del vehículo o en cualquier momento durante el vuelo para apoyar o sustituir al motor de cohete térmico. En particular, el motor de cohete químico puede operarse simultáneamente con el motor de cohete térmico.

[0081] En particular, el motor de cohete térmico y el motor de cohete químico comparten la al menos una tobera. El gas calentado por una reacción química y el gas calentado por el sistema de refrigeración activo pueden expandirse a través de la misma tobera, bien simultáneamente o bien en momentos diferentes. Además, el fluido de trabajo, tal como hidrógeno calentado en el sistema de refrigeración activo, puede mezclarse además con un oxidante, por ejemplo, oxígeno, y puede quemarse en el interior del motor de cohete químico. El motor podría operar en un modo rico en hidrógeno para reducir la masa molecular de los gases de escape y reducir la temperatura de la cámara. El motor de cohete térmico y el motor de cohete químico pueden compartir compresores.

[0082] De manera ventajosa, el sistema de refrigeración activo puede operar a alta presión para crear una presión de gas lo suficiente elevada para el motor de cohete térmico. El motor de cohete térmico puede requerir una presión de hasta 100 bares o superior para operar en un modo de empuje suficientemente alto. La alta presión puede crearse mediante la vaporización del fluido de trabajo en el vaporizador.

[0083] De manera ventajosa, el vehículo podría ser un avión espacial, es decir, podría volar y planear como una aeronave en la atmósfera terrestre y maniobrar como una nave espacial en el espacio exterior.

[0084] En una realización preferida, el vehículo es adecuado para volar en una trayectoria de múltiples saltos, una trayectoria de planeo con impulso o una trayectoria con una fase de crucero o una trayectoria de reentrada. Una trayectoria adecuada amplía el alcance o reduce la masa de propelente para un alcance determinado.

[0085] El vehículo puede volar también en un vuelo supersónico o hipersónico de crucero y puede aprovechar las ventajas de la propulsión de cohete térmico trabajando con o sin motor de cohete químico.

[0086] Se proporciona un método no reivindicado para operar un motor de cohete térmico. El método comprende las siguientes etapas:

[0087] - el fluido de trabajo fluye a través del sistema de refrigeración activo, en particular a través de los canales de refrigeración, en el que el fluido de trabajo absorbe calor,

[0088] - el fluido de trabajo calentado se expande a través de al menos una tobera para generar empuje.

[0089] De manera ventajosa, el fluido de trabajo no se calienta adicionalmente antes de expandirse a través de la tobera y no participa en la reacción química que puede aumentar sustancialmente su masa molecular.

[0090] En particular, el método comprende una fase de vuelo de entrada atmosférica o de vuelo supersónico o hipersónico, mientras que el calentamiento aerodinámico se produce en el escudo térmico. El calor es absorbido por el fluido de trabajo en el sistema de refrigeración activo y el fluido de trabajo calentado se usa como masa de reacción.

[0091] De manera ventajosa, el vuelo es un vuelo suborbital de planeo con impulso o un vuelo de planeo con salto, en particular en el que el motor de cohete térmico es operado durante al menos una entrada, en particular al menos dos entradas, del vuelo de planeo con salto.

[0092] En particular, el motor de cohete térmico se opera en el primer modo de propulsión solo desde el inicio de una entrada inicial o posteriormente. Antes de la entrada inicial, en particular durante el despegue del vehículo, podría ser propulsado únicamente por un motor de cohete químico.

[0093] De manera ventajosa, el motor de cohete químico opera, con o sin el motor térmico, durante el despegue del vehículo para seguir su trayectoria.

[0094] Otras realizaciones ventajosas se enumeran en las reivindicaciones dependientes, así como en la siguiente descripción.

[0095] Breve descripción de los dibujos

[0096] La invención se comprenderá mejor y objetos distintos de los expuestos anteriormente resultarán evidentes a partir de la siguiente descripción detallada de la misma. Dicha descripción hace referencia a los dibujos adjuntos, en los que: La Fig.1 muestra un vehículo según la invención;

[0097] La Fig.2 muestra una posible trayectoria de vuelo con múltiples saltos del vehículo de la Fig.1;

[0098] La Fig.3 muestra una posible trayectoria del vehículo de la Fig.1 con una fase de crucero;

[0099] La Fig.4 muestra una posible trayectoria de vuelo del vehículo de la Fig.1 con un solo salto; y

[0100] La Fig.5 muestra una posible trayectoria de vuelo con una reentrada atmosférica.

[0101] Modos para llevar a cabo la invención

[0102] La Fig. 1 muestra un dibujo esquemático de un vehículo según la invención. El vehículo comprende un motor 1 de cohete con una tobera 2 principal. La tobera 2 principal está dispuesta en la parte posterior del vehículo y genera un empuje considerable para propulsar el vehículo en la dirección 3 de vuelo principal. El vehículo puede transportar una carga “P” útil.

[0104] El vehículo comprende además tanques 4 de hidrógeno que almacenan hidrógeno líquido en estado criogénico, es decir, a una temperatura de aproximadamente 20 K. El hidrógeno líquido es un combustible líquido común para motores de cohete. Estos tanques de hidrógeno ocupan mucho espacio y tienen mucho peso en el vehículo. Los tanques de oxígeno están dispuestos en la parte central del vehículo. El hidrógeno se mezcla con el oxígeno oxidante y se quema en un motor 1a de cohete químico, que forma parte del motor 1 de cohete.

[0106] El vehículo mostrado en la Fig. 1 comprende escudos térmicos dispuestos en los bordes de ataque. Los bordes de ataque de este vehículo son el morro y la parte delantera de las alas.

[0108] Los primeros bordes 6 de ataque están dispuestos en el morro y los segundos bordes 7 de ataque están dispuestos en la parte delantera de las alas. Las alas comprenden superficies de control aerodinámico, tales como “flaps”. Los escudos térmicos se refrigeran mediante un sistema 8 de refrigeración activo que comprende múltiples canales de refrigeración mientras el vehículo vuela a través de los gases de una atmósfera. La atmósfera ofrece resistencia y calienta el vehículo.

[0110] Además, el motor 1 de cohete comprende un motor 1b de cohete térmico. Por motor de cohete térmico se entiende un motor que no quema combustible. El motor de cohete térmico funciona de la siguiente manera:

[0112] El hidrógeno líquido se bombea desde los tanques 4 de hidrógeno mediante una bomba eléctrica o una turbobomba y se vaporiza en el interior de los intercambiadores 9 de calor. El hidrógeno gaseoso se encuentra a alta presión debido a su vaporización. Puede comprimirse adicionalmente mediante los compresores 10 y fluye además al interior de los canales de refrigeración del sistema 8 de refrigeración activo. En el interior del sistema 8 de refrigeración activo, el hidrógeno gaseoso absorbe calor por transferencia de calor convectiva. El escudo térmico se refrigera y el hidrógeno gaseoso se calienta. El hidrógeno fluye desde los canales de refrigeración con una temperatura de aproximadamente 1.000°C y puede almacenarse en un tanque 11 de hidrógeno caliente. El almacenamiento de hidrógeno es posible, pero no necesario. Podría usarse también un acumulador de energía térmica para almacenar parte de la energía durante la refrigeración activa y para liberar esta energía al fluido de trabajo (por ejemplo, hidrógeno caliente) cuando la refrigeración activa no está funcionando. El hidrógeno gaseoso calentado puede fluir directamente a través de un compresor 12 al interior del motor 1b de cohete térmico, que forma parte del motor 1 de cohete. El motor 1b de cohete térmico no quema el hidrógeno, sino que el hidrógeno solo se expande a través de la tobera 1 debido a su calor absorbido en el interior de los canales de refrigeración. En otras palabras, el sistema de refrigeración activo es la única fuente térmica para el fluido de trabajo que se usa como una masa de reacción en el motor de cohete térmico.

[0114] El hidrógeno tiene buenas capacidades de refrigeración y puede proporcionar aproximadamente 18,6 MJ/kg de hidrógeno líquido para una superficie caliente a 1.000°C. Se necesitan aproximadamente 1.000 kg de hidrógeno líquido para disipar 20.000 MJ de energía, lo cual debería ser suficiente para que la masa del vehículo, de aproximadamente 5.000 kg, reentre a la atmósfera una o varias veces.

[0116] El hidrógeno gaseoso calentado hasta 1.000°C y usado como una masa de reacción en el motor de cohete proporciona un impulso específico en el vacío de aproximadamente 610 s, que es significativamente mayor al de cualquier cohete químico conocido. El sistema de propulsión puede usar el mismo fluido de trabajo para refrigerar el escudo térmico y para propulsar el vehículo. Esto disminuye la velocidad inicial necesaria del vehículo y reduce la masa requerida para los componentes propelentes. Si el sistema de refrigeración activo refrigera el escudo térmico a aproximadamente 1.000°C, el escudo térmico puede fabricarse con aleaciones de acero económicas y resistentes a altas temperaturas, tal como Inconel.

[0118] No es necesario almacenar el hidrógeno calentado en el tanque 11 de hidrógeno caliente si se requiere propulsión al mismo tiempo que la atmósfera ofrece resistencia y calienta el vehículo. Dicha aplicación es necesaria durante un vuelo suborbital de planeo con salto, que se ilustrará más detalladamente en la Fig.2.

[0120] El hidrógeno calentado no solo puede usarse para generar empuje para propulsar el vehículo en la dirección 3 de vuelo principal. El hidrógeno caliente puede usarse también como masa de reacción en las toberas 13, dispuestas en la parte delantera, con el fin de desacelerar el vehículo, o como masa de reacción para un sistema de control de reacción, ilustrado mediante las toberas 14.

[0122] Tal como se ha indicado ya, el motor de cohete no solo comprende un motor de cohete térmico, Comprende también un motor de cohete químico. Un motor de cohete químico es necesario especialmente durante una fase inicial del vuelo espacial, si el hidrógeno no puede calentarse hasta una temperatura lo suficientemente alta o si se requiere más empuje que el que puede proporcionar el hidrógeno calentado. El hidrógeno gaseoso, calentado o no, se mezcla con el oxígeno almacenado en los tanques 5 y la mezcla se quema en el interior de una cámara de combustión del motor de cohete químico.

[0123] El motor de cohete puede trabajar como un motor de cohete térmico o como un motor de cohete químico. Por otra parte, el motor de cohete puede trabajar simultáneamente como un motor de cohete térmico y como un motor de cohete químico. En este último caso, el sistema de refrigeración calienta una parte del hidrógeno y esta fluye a través de la tobera sin quemarse. Al mismo tiempo, otra parte del hidrógeno se mezcla con oxígeno y se quema en el interior de la cámara de combustión.

[0125] Tanto el motor de cohete térmico como el motor de cohete químico pueden compartir compresores y toberas.

[0127] La Fig.2 muestra una posible trayectoria de vuelo del vehículo de la Fig.1. Muestra un vuelo espacial de un transporte suborbital a cualquier destino en la Tierra. Es una trayectoria de un vuelo de múltiples saltos.

[0129] En el despegue 21, un cohete propulsor (no mostrado en la Fig. 1) propulsa el vehículo desde un hiperpuerto especialmente diseñado hasta su trayectoria. El cohete propulsor se separa del cohete en el punto 22 de la trayectoria y aterriza verticalmente de vuelta en el hiperpuerto, donde el equipo de tierra puede preparar el mismo para el siguiente vuelo. Dichos cohetes propulsores son bien conocidos y pueden operarse con hidrógeno y oxígeno líquidos.

[0131] Tras la separación del cohete propulsor, es decir, tras la fase de vuelo indicada mediante "a" en la Fig.2, el vehículo es propulsado por el motor de cohete químico. Esta fase de vuelo se indica mediante "b" en la Fig.2 y finaliza cuando se alcanza el apogeo. Posteriormente, el vuelo continúa con una trayectoria de múltiples saltos. Esta es una trayectoria que amplía el alcance del vehículo suborbital mediante el uso de la sustentación aerodinámica en la atmósfera. Puede ampliar significativamente el alcance en comparación con la trayectoria balística, dependiendo del número de entradas.

[0132] Desde el inicio de la primera entrada, es decir, comenzando con la fase "c1", el vehículo es propulsado principalmente por el motor de cohete térmico. Dependiendo de la trayectoria, la propulsión puede ser ayudada por el motor de cohete químico. El vehículo realiza dos bucles, "c1" y "c2", y a continuación el vuelo finaliza con una fase “d” de aterrizaje.

[0133] De esta manera, el presente vehículo tiene dos fuentes de delta-V diferentes. En primer lugar, el motor de cohete químico propulsa el vehículo y el vehículo obtiene un delta-V total en la primera entrada que puede alcanzar 4.000-5.000 m/s. En segundo lugar, el motor de cohete térmico genera otro delta-V de 2.000-3.000 m/s para mantener la velocidad reducida por la resistencia atmosférica, o incluso aumentar la velocidad.

[0135] La Fig.3 muestra una trayectoria alternativa. Se trata de la trayectoria de un vuelo estable o de crucero en la atmósfera. Las fases de vuelo "a" y "b" son idénticas a la trayectoria mostrada en la Fig.2. Tras el apogeo, el vehículo vuela a una altitud constante o una altitud variable en el interior de la atmósfera y es propulsado por separado o simultáneamente por el motor de cohete térmico y el motor de cohete químico.

[0137] La Fig.4 muestra otra trayectoria de vuelo alternativa. Se trata de la trayectoria de un vuelo de planeo con impulso que comprende un solo salto. Tras la separación del cohete propulsor en el punto 22, el vehículo es propulsado principalmente por el motor de cohete químico. El vehículo sigue una trayectoria balística.

[0139] La Fig.5 muestra la trayectoria de vuelo de un vehículo que entra en la atmósfera desde el espacio. Esta fase de vuelo se denomina reentrada.

Claims (14)

1. REIVINDICACIONES

1. Vehículo para vuelo supersónico o hipersónico, que comprende:

- un escudo (6, 7) térmico,

- al menos un motor (1b) de cohete térmico con al menos una tobera (2), en el que el motor (1b) de cohete térmico no quema combustible,

- un sistema (8) de refrigeración activo que tiene canales de refrigeración para refrigerar el escudo (6, 7) térmico, en el que un fluido de trabajo absorbe calor en el sistema (8) de refrigeración activo, y el fluido de trabajo calentado se expande a través de la al menos una tobera (2) para generar empuje,

caracterizado porque el motor (1b) de cohete térmico puede usarse para la propulsión principal del vehículo con el fin de alcanzar una alta velocidad de cohete o mantener una velocidad existente.

2. Vehículo según la reivindicación 1, en el que el sistema (8) de refrigeración activo es la principal, y en particular la única, fuente térmica para el fluido de trabajo del motor (1b) de cohete térmico.

3. Vehículo según una de las reivindicaciones anteriores, en el que:

- el fluido de trabajo absorbe calor mientras fluye a través de los canales de refrigeración, en particular absorbiendo calor desde elementos del vehículo con diferentes temperaturas máximas de diseño, o

- un refrigerante absorbe calor mientras fluye a través de los canales de refrigeración y el calor absorbido se transfiere desde el refrigerante al fluido de trabajo mediante un intercambiador de calor.

4. Vehículo según una de las reivindicaciones anteriores, en el que el escudo (6, 7) térmico está adaptado para proteger el vehículo durante un vuelo supersónico o hipersónico,

en particular para proteger los bordes de ataque, en particular el morro o la parte delantera de las alas, en particular en el que el escudo (6, 7) térmico está realizado en metal, en particular una superaleación austenítica a base de níquel-cromo.

5. Vehículo según una de las reivindicaciones anteriores, en el que el motor (1b) de cohete térmico puede usarse para desacelerar el vehículo, en particular en el que al menos una de las al menos una tobera está dispuesta en la parte delantera del vehículo.

6. Vehículo según una de las reivindicaciones anteriores, que comprende un sistema (14) de control de reacción con al menos una tobera, en el que el fluido de trabajo calentado se expande a través de la al menos una tobera del sistema (14) de control de reacción.

7. Vehículo según una de las reivindicaciones anteriores, en el que el sistema (8) de refrigeración activo está adaptado para calentar el fluido de trabajo un ΔT de al menos 500 Kelvin, en particular al menos 800 Kelvin, en particular al menos 1.000 Kelvin, en particular al menos 1.200 Kelvin.

8. Vehículo según una de las reivindicaciones anteriores, en el que el fluido de trabajo es hidrógeno.

9. Vehículo según una de las reivindicaciones anteriores, que comprende un intercambiador (9) de calor para vaporizar el fluido de trabajo frío, almacenado, antes de introducir el fluido de trabajo en el sistema de refrigeración activo.

10. Vehículo según una de las reivindicaciones anteriores, que comprende un motor (1a) de cohete químico.

11. Vehículo según la reivindicación 10, en el que el motor (1a) de cohete químico puede operarse simultáneamente con el motor (1b) de cohete térmico.

12. Vehículo según una de las reivindicaciones 10 u 11, en el que el motor (1b) de cohete térmico y el motor (1a) de cohete químico comparten la al menos una tobera (2).

13. Vehículo según una de las reivindicaciones anteriores, en el que el vehículo es un avión espacial.

14. Vehículo según una de las reivindicaciones anteriores, adecuado para volar en una trayectoria de múltiples saltos o una trayectoria de planeo con impulso, una trayectoria con una fase de crucero o una trayectoria de reentrada.